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¿Alguna vez te has preguntado por qué se te calientan las manos cuando te las frotas vigorosamente, o por qué frotar dos palos entre sí puede llegar a producir fuego? La causa es la fricción. Cuando dos superficies se frotan entre sí, cada una se resiste naturalmente al movimiento de la otra a niveles microscópicos. Esta resistencia puede liberar energía en forma de calor, calentando las manos, produciendo fuego, etc. [1] X Fuente de investigación Cuanto mayor sea la fricción, más energía se liberará, así que saber cómo incrementar la fricción entre dos superficies en movimiento dentro de un sistema mecánico puede permitirte generar un nivel de calor elevado.
Pasos
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Crea una zona de contacto antideslizante o más rugosa. Cuando dos materiales se deslizan o se rozan el uno contra el otro, pueden ocurrir tres cosas: los pequeños huecos, grietas y relieves de las superficies pueden chocar unos contra otros; una o ambas superficies pueden deformarse como reacción al movimiento; y, por último, los átomos que forman cada superficie pueden interactuar entre sí. [2] X Fuente de investigación A efectos prácticos, las tres posibles reacciones hacen lo mismo: generar fricción. Elegir superficies abrasivas (como la lija), deformables mediante presión (como el caucho) o que se adhieran a otra superficies (como el pegamento) es una manera infalible de aumentar la fricción.
- Los manuales de ingeniería y otras fuentes similares son estupendas herramientas para elegir los materiales más adecuados para generar una fricción alta. La mayoría de los materiales de construcción estándar tienen un coeficiente de fricción conocido, el cual indica la cantidad de fricción que generan contra otras superficies. Aquí tienes los coeficientes de fricción por deslizamiento de unos cuantos materiales comunes (los más altos indican una fricción mayor):
- aluminio contra aluminio: 0,34
- madera contra madera: 0,129
- hormigón seco sobre caucho: 0,6-0,85
- hormigón mojado sobre caucho: 0,45-0,75
- hielo sobre hielo: 0,01
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Presiona con fuerza una superficie contra la otra. Un principio fundamental de física básica es que la fricción que un objeto experimenta es proporcional a su fuerza normal (para lo que nos interesa, esta es, básicamente, la presión ejercida sobre el objeto contra el que se desliza). [3] X Fuente de investigación Esto quiere decir que la fricción entre ambas superficies se puede incrementar presionando una superficie contra la otra con mayor fuerza.
- Si alguna vez has utilizado un set de discos de freno (por ejemplo, de un carro o una bicicleta), habrás observado este principio en acción. En este caso, al pisar los frenos de un carro, se mueve un set de pastillas de freno que generan fricción contra unos discos metálicos incorporados a las ruedas. Cuanto mayor sea la fuerza con la que se pisen los frenos, mayor será la la presión de las pastillas de freno contra los discos y, por lo tanto, mayor fricción se generará. Esta acción puede parar el vehículo rápidamente, pero también puede liberar grandes cantidades de calor, motivo por el que un cualquier set de frenos suele estar bastante caliente después de un frenazo. [4] X Fuente de investigación En una bicicleta, las pastillas de freno ejercen presión contra las llantas de las ruedas para hacer que dejen de rotar.
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Detén cualquier movimiento relativo. Es decir, si una superficie se encuentra en movimiento respecto a la otra, detenla. Hasta ahora, nos hemos centrado en la fricción cinética (el deslizamiento), que es la fricción que tiene lugar entre dos objetos o superficies cuando se rozan entre sí. De hecho, esta fricción es distinta de la fricción estática, que es la que tiene lugar cuando un objeto empieza a deslizarse contra otro. Básicamente, la fricción más elevada entre dos objetos es la que tiene lugar justo cuando empieza a deslizarse el uno contra el otro. Una vez que se ha iniciado el movimiento, la fricción disminuye. Esta es una de las razones por las que resulta más complicado empezar a empujar un objeto pesado que mantener su deslizamiento una vez que ha empezado a desplazarse. [5] X Fuente de investigación
- Prueba a hacer este sencillo experimento para observar la diferencia entre fricción estática y cinética: coloca una silla u otro mueble sobre un piso liso en tu casa (evita las alfombras y las moquetas). Asegúrate de que el mueble no lleve almohadillas de fieltro u otro material en la base que pueda favorecer su deslizamiento sobre el piso. Intenta empujar el muebles solo lo estrictamente necesario para que empiece a moverse. Notarás que, en cuanto ell mueble empieza a deslizarse, empujarlo te resulta ligeramente más fácil. Esto se debe a que la fricción cinética entre el mueble y el piso es menor que la fricción estática.
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Elimina la lubricación que haya entre las dos superficies. Los lubricantes como el aceite, la grasa, la vaselina y otras sustancias similares pueden reducir enormemente la fricción entre dos objetos o superficies. Esto se debe a que la fricción entre dos sólidos suele ser mucho más alta que la fricción entre esos sólidos y el líquido que los separa. Para aumentar la fricción elimina cualquier lubricante de la ecuación, utilizando solo superficies secas y sin lubricar para generar fricción.
- Para observar el potencial que tienen los lubricantes para reducir la fricción, haz este sencillo experimento: frótate las manos como si tuvieras frío y te las quisieras calentar. Inmediatamente notarás que se te calientan debido a la fricción. Ahora, aplícate una buena cantidad de loción hidratante en las palmas y prueba a hacer lo mismo. No solo te resultará más fácil deslizar una palma contra la otra rápidamente, sino que, además, notarás que se genera mucho menos calor.
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Prescinde de usar ruedas o rodamientos para aumentar la fricción de deslizamiento. Las ruedas, los rodamientos y otros objetos rodantes experimentan un tipo de fricción llamada "fricción de rodamiento". Esta fricción es, casi siempre, mucho menor que la fricción generada deslizando un objeto equivalente contra el piso. Este es el motivo por el que estos objetos tienden a rodar en lugar de deslizar sobre el piso. Para aumentar la fricción en un sistema mecánico, prescinde de las ruedas, los rodamientos y cualquier objeto rodante, de modo que las superficies se rocen entre sí en lugar de rodar una contra la otra. [6] X Fuente de investigación
- Por ejemplo, piensa en la diferencia que hay entre tirar de un objeto pesado colocado sobre una carreta y tirar de un peso similar colocado sobre un trineo. La carreta tiene ruedas, por lo que será mucho más fácil tirar de ella que del trineo, que se arrastra contra el piso, generando una gran fricción de deslizamiento con su desplazamiento.
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Aumenta la viscosidad del fluido. Los objetos sólidos no son los únicos materiales que pueden generar fricción. Los fluidos (líquidos o gaseosos, como el agua o el aire, respectivamente) también pueden generar fricción. La cantidad de fricción que genera un fluido al recorrer una superficie sólida depende de varios factores. Uno de los más controlables es la viscosidad del fluido, que es lo que se conoce comúnmente como "espesor" o "densidad". Generalmente, los fluidos altamente viscosos (los más viscosos, espesos, etc.) generar mayor fricción que los fluidos menos viscosos (los más líquidos y ligeros).
- Por ejemplo, compara el esfuerzo que tienes que hacer para absorber agua a través de una pajita con el esfuerzo que tienes que hacer para absorber miel a través de una pajita. El agua, que no es muy viscosa, es muy fácil de succionar mediante una pajita. Sin embargo, la miel es bastante más difícil de succionar a través de una pajita. Esto se debe a que la alta viscosidad de la miel genera una gran resistencia por fricción al ser succionada a través de un tubo estrecho, como una pajita. [7] X Fuente de investigación
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Aumenta la viscosidad del fluido. El medio a través del que un objeto se mueve ejerce una fuerza sobre su superficie que, además, genera la fuerza de fricción que actúa sobre dicho objeto. Cuanto más denso o viscoso sea un fluido, más lento será el desplazamiento de cualquier objeto sometido a una fuerza dada a través de dicho fluido. Por ejemplo, una canica caerá más rápidamente a través del aire que a través del agua, y a través del agua caerá más rápidamente que a través de melaza.
- La viscosidad de la mayoría de los fluidos se puede incrementar bajando su temperatura. Por ejemplo, una canica caerá más lentamente a través de melaza fría que a través de melaza a temperatura ambiente.
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Incrementa el área expuesta al aire. Como se ha apuntado antes, los fluidos como el agua y el aire pueden generar fricción al moverse contra objetos sólidos. La fuerza de fricción que experimenta un objeto cuando se mueve a través de un fluido se llama arrastre (también conocido como "resistencia al aire", "resistencia al agua", etc.). Una de las propiedades del arrastre es que los objetos con mayor superficie o área de contacto con un fluido producen una mayor fuerza de arrastre o resistencia al moverse a través de dicho fluido. El fluido tiene más espacio contra el que ejercer la fuerza de empuje, aumentando la fricción sobre el objeto durante su desplazamiento.
- Por ejemplo, supongamos que un guijarro y una hoja de papel pesan un gramo cada uno. Si soltamos los dos objetos a la vez, el guijarro caerá directamente al piso, mientras que el papel caerá más lentamente, siguiendo una trayectoria irregular. Esto se debe a la fuerza de arrastre: el aire ejerce un empuje contra la superficie del papel, produciendo un arrastre y haciendo que recorra su camino al piso mucho más lentamente que el guijarro, cuya área es bastante pequeña.
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Utiliza una forma con un mayor coeficiente de arrastre. Aunque el área de un objeto es una buena indicación general acerca de su idoneidad para el arrastre, en realidad, los cálculos de arrastre son algo más complejos. Cada forma interactúa con los fluidos de forma distinta al atravesarlos. Esto quiere decir que unas formas (por ejemplo, los platos llanos) pueden experimentar mayor arrastre que otras (por ejemplo, los objetos esféricos) compuestas por la misma cantidad de material. Dado que la expresión que indica la cantidad de arrastre relativa que produce una forma determinada se llama "coeficiente de arrastre", la formas que producen un gran arrastre se dice que tienen altos coeficientes de arrastre.
- Por ejemplo, piensa en el ala de un avión. El ala de un avión típico tiene forma de alerón. Esta forma, que es de superficie lisa, redondeada y estrecha, atraviesa fácilmente el aire. Su coeficiente de arrastre es muy bajo: 0,45. Por otro lado, imagina qué ocurriría si un avión tuviese alas en forma de prisma con bordes afilados. Estas alas generarían una fricción mucho mayor porque no podrían atravesar el aire sin generar una gran resistencia. De hecho, los prismas tienen un coeficiente de arrastre mucho mayor que los alerones: 1,14.
- Los objetos grandes con forma de caja suelen generar más arrastre que otros objetos. Por el contrario, los objetos de estructura aerodinámica son estrechos, con bordes redondeados y, normalmente, se estrechan en su parte trasera, como el cuerpo de un pez.
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Utiliza un material menos permeable. Algunos materiales son permeables. En otras palabras, contienen agujeros que permiten la penetración de los fluidos. Esta característica reduce eficazmente el área del objeto contra la que el fluido puede ejercer la fuerza de empuje, disminuyendo la fuerza de arrastre. Esta propiedad se cumple aun en los casos en los que los agujeros son microscópicos. Siempre que sean suficientemente grandes como para permitir el paso de un fluido a través del objeto, el arrastre se reducirá. Este es el motivo por el que los paracaídas, diseñados para generar una gran fuerza de arrastre que disminuya la velocidad de caída del usuario, están hechos de seda o nailon de alta resistencia, y no de filtros de café o estopilla.
- Como ejemplo de esta propiedad en acción, piensa en el hecho de que una pala de pimpón pueda moverse más rápido si se le hacen unos cuantos agujeros. Los agujeros dejan que el aire pase a través de la pala en movimiento, reduciendo enormemente la fuerza de arrastre y permitiendo realizar movimientos más rápidos.
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Aumenta la velocidad del objeto. Por último, independientemente de la forma de un objeto o de lo permeable que sea el material del que esté hecho, el arrastre que este genera siempre será mayor cuanto más rápido se mueva. Cuanto más rápido se desplace un objeto, ás fluido tendrá que atravesar y, por lo tanto, mayor será la fuerza de arrastre que experimente. Los objetos que se mueven a velocidades muy altas pueden experimentar una fricción muy alta debido al arrastre, por lo que estos objetos normalmente deben ser de forma muy aerodinámica para resistir a la fuerza de arrastre sin romperse.
- Por ejemplo, piensa el "Blackbird" SR-71, un avión espía experimental construido durante la Guerra Fría. El "Blackbird", que podía volar a velocidades superiores al Mach 3,2, experimentó fuerzas de arrastre extremas a estas altas velocidades, a pesar de su diseño aerodinámico. De hecho, la fuerza de arrastre fue tan extrema que el fuselaje del avión se expandió debido al calor generado por la fricción del aire en pleno vuelo. [8] X Fuente de investigación
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Advertencias
- Una fricción extremadamente alta puede liberar grandes cantidades de energía en forma de calor. Por ejemplo, no debes tocar las pastillas de freno de un carro justo después de frenar.
- Una gran fuerza de arrastre puede causar daños estructurales en un objeto al atravesar un fluido. Por ejemplo, si introduces la cara plana de una lámina de madera contrachapada en el agua mientras vas en una lancha motora, es muy probable que se haga añicos.
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Referencias
- ↑ http://www.livescience.com/37161-what-is-friction.html
- ↑ http://www.school-for-champions.com/science/friction_causes.htm#.VBx4gRbHRL0
- ↑ http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/frict3.html
- ↑ http://www.comsol.com/model/heat-generation-in-a-disc-brake-102
- ↑ http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/frict2.html
- ↑ http://www.phy.davidson.edu/fachome/dmb/PY430/Friction/rolling.html
- ↑ http://physics.stackexchange.com/questions/40824/is-water-considered-a-substance-with-low-friction-or-high-friction
- ↑ http://www.sr-71.org/blackbird/sr-71/
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